JP4337443B2

JP4337443B2 - マトリクスコンバータシステム

Info

Publication number: JP4337443B2
Application number: JP2003207239A
Authority: JP
Inventors: 秀樹綾野; 博美稲葉; 育男大和; 大沼　　直人; 篤哉藤野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-08-12
Also published as: JP2005065357A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定周波数の交流電源から任意の周波数の交流出力を直接生成するマトリクスコンバータのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の特開平１０−１９１６４２号公報や特開２０００−１３９０７６号公報など、従来のマトリクスコンバータでは電源とスイッチを含む主回路の間にＬＣフィルタを接続する必要がある。このＬＣフィルタは、マトリクスコンバータから電源に流出する高周波ノイズを抑制する効果と主回路のスイッチがＯＮした場合に速やかに電荷を供給するバイパスコンデンサ的な効果を持つ。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１９１６４２号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３９０７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術ではＬＣフィルタの実装方法に関して詳しく記載した例は無く、一般的にはＬＣフィルタのリアクトルとコンデンサは近接して設置している。ところが、ＬＣフィルタのコンデンサと主回路のスイッチ部分の間の配線長が長くなる場合には、配線のインダクタンスが増加し、スイッチ素子がＯＮ／ＯＦＦする度に、スイッチ素子に過電圧が印加されることになる。この過電圧を抑制するために従来の回路ではダイオード，コンデンサ，抵抗からなるスナバ回路が接続されている。
【０００５】
本発明の目的は、前記過電圧を抑制し、スナバ回路を小型化、或いは、スナバ回路を削除した構成のマトリクスコンバータシステムを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する手段として、ＬＣフィルタの実装方法に着目し、ＬＣフィルタのコンデンサとスイッチ素子の間の距離がＬＣフィルタのリアクトルとコンデンサの距離よりも小さくなるように構成する。特に、大容量システムなど、スイッチ素子が各出力相毎に分離された形態のモジュール構成のシステムでは、ＬＣフィルタのコンデンサを各モジュール毎に分離し近接設置、或いは、少量のコンデンサをスイッチ素子に近接配置する。前記のように、ＬＣフィルタのコンデンサとスイッチ素子の間の配線インダクタンスを小さくすることによって、フィルタでスナバ回路を代用する。
【０００７】
本発明によると、マトリクスコンバータシステムにおいて、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制し、スナバ回路の小型化、或いは、スナバ回路の削除を実現できる効果がある。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は本発明の第一実施例のマトリクスコンバータシステムであり、商用電源１，ＬＣフィルタ２，マトリクスコンバータ主回路部３，負荷４より構成している。従来のコンバータシステムでは、整流器により商用電力を一度直流電力に変換し、インバータで任意の交流電力に再度変換する。このとき、直流部分の安定化を図るために、整流器とインバータの間に平滑コンデンサを接続する必要があった。これに対して、図１のマトリクスコンバータは、商用電源１から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換する。このマトリクスコンバータでは、直流電力に変換する動作が不要であるため、従来のコンバータで必須であった平滑コンデンサを削除できる。このため、装置の小型化が可能になる上、コンデンサの定期交換が不要になるため保守から見た効果は大きい。しかも、電力回生も可能であり、電源高調波も低減できる効果がある。
【００１０】
図６はマトリクスコンバータ主回路３を構成する双方向スイッチ部３１を示す図である。マトリクスコンバータは９個の双方向スイッチ部３１により構成されており、これらをＯＮ・ＯＦＦさせることによって、任意の周波数の交流電力を出力する。図６（ａ）は一般的なＩＧＢＴ８１とダイオード８２を組み合わせて双方向スイッチを構成している例である。図６（ｂ）はデバイスに逆耐圧特性を持たせた逆阻止デバイス８３により構成した例である。図示していない制御回路で演算した結果を基に図６（ａ），図６（ｂ）の双方向スイッチをＯＮ／ＯＦＦさせることにより、商用電源から得られる一定周波数の交流電力を、直接、任意の周波数の交流電力に変換することができる。また、図１では、マトリクスコンバータ部分の９個の双方向スイッチを独立に記載しているが、９個の双方向スイッチが１個のモジュールの中に全て含まれた形のオールインワンデバイスを使用しても良い。
【００１１】
マトリクスコンバータを用いたシステムでは、電源１とマトリクスコンバータ主回路部３の間にＬＣフィルタ２の接続が必須になる。このＬＣフィルタ２は、ＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２からなり、マトリクスコンバータ主回路部３から電源１に流出する高周波ノイズを除去するのみでなく、マトリクスコンバータ主回路部３のスイッチング時に瞬時に電荷を供給できるようなバイパスコンデンサ的な役割も担っている。ここで、ＬＣフィルタのリアクトル２１とＬＣフィルタのコンデンサで決まる共振周波数は、電源１の商用周波数と双方向スイッチ部３１のスイッチング周波数の間の周波数になるように、リアクトル，コンデンサの値を設定しており、特に、双方向スイッチ部３１のスイッチング周波数成分を除去できる周波数帯に特性を設定している。例えば、スイッチング周波数が１０ｋＨｚで駆動するシステムでは、共振周波数が１ｋＨｚになるようにリアクトル，コンデンサの値を設定している。
【００１２】
図２は従来のマトリクスコンバータシステムの実装構成図であり、装置盤５の内部にＬＣフィルタ２およびマトリクスコンバータ主回路部３が設置されている。ここで、ＬＣフィルタ用リアクトル２１は重量物であるため、一般的には装置盤５の底部に配置され、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２もそれに付随して底部に設置される。この場合のマトリクスコンバータシステムの影響について図３を用いて詳しく説明する。
【００１３】
図３は、従来のマトリクスコンバータシステムの詳細回路図である。図２のように、ＬＣフィルタ２を装置盤５の底部に設置し、マトリクスコンバータ主回路部３との間に間隔が生じる場合には、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２とマトリクスコンバータ主回路部３の間の配線の配線インダクタンス６が無視できなくなる。配線インダクタンス６が大きい場合には、マトリクスコンバータ主回路部３内の双方向スイッチ部３１がＯＮ／ＯＦＦする度に、双方向スイッチ部３１に過電圧が発生する。これは、スイッチがＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる時に、配線インダクタンス６に流れる電流が遮断されるため、配線インダクタンス６に蓄積されたエネルギーが電圧となって現れることが原因であり、配線インダクタンス６の大きさに比例して過電圧も大きくなる。この電圧がスイッチ素子の耐圧を超える場合には素子の破損を招く恐れがある。この過電圧を補償するために、従来のマトリクスコンバータシステムではスナバ回路７を接続している。つまり、配線インダクタンス６のエネルギーをスナバ回路７のコンデンサに蓄積し、抵抗で消費することにより、素子に印加される電圧を抑制している。しかし、このスナバ回路７は、装置の大型化を招く上、即応性が求められるため高速なダイオードが必要になるので、コストの増加は避けられない。
【００１４】
そこで本発明では、図１のように、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２とマトリクスコンバータ主回路部３の間の距離ＡがＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２の距離Ｂよりも小さくなるようにＬＣフィルタ用コンデンサ２２を配置する。図４は、本発明のマトリクスコンバータシステムの詳細回路図である。ＬＣフィルタ用コンデンサ２２とマトリクスコンバータ主回路部３の距離を小さくすることによって、上記区間の配線インダクタンスの大きさは小さくなり、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる。つまり、ＬＣフィルタのコンデンサとマトリクスコンバータ主回路部３の間の配線インダクタンス６を極力小さくすることによって、ＬＣフィルタでスナバ回路を代用し、従来のスナバ回路の規模を小さくしたり、或いは、削除する。この場合には、ＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２の間の配線インダクタンス６が増加することになり、ＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２で決定するフィルタ定数が変動するが、配線インダクタンス６のはＬＣフィルタ用リアクトル２１に対して十分に小さいため、変動幅も問題にならない程度の大きさで済む。また、この場合の実装構成は、図７に示すように、重量物であるＬＣフィルタ用リアクトル２１を装置盤５の下部に配置し、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２は、マトリクスコンバータ主回路部３の直近に配置した形態が望ましい。さらに、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２とマトリクスコンバータ主回路部３内の各双方向スイッチ部３１までの距離がほぼ均等になるように実装することによって、それぞれの配線インダクタンスはほぼ均等になるため動作特性を安定化できる効果がある。
【００１５】
図５は、本発明の第二実施例のマトリクスコンバータシステムである。第二実施例は、第一実施例と同様にＬＣフィルタ用コンデンサ２２とマトリクスコンバータ主回路部３の間の距離ＡがＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２の距離Ｂよりも小さくなるように構成した条件でＬＣフィルタ用コンデンサ２２を出力相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）毎に分割した例である。この構成によると、コンデンサ２２の数は増加するものの、１個当たりのコンデンサの大きさは小さくなる効果がある。特に、出力容量の大きいマトリクスコンバータシステムでは、双方向スイッチ部３１が出力相毎にモジュール化される場合多いため、モジュール毎にコンデンサ２２が取り付けられる格好になり、各相に対するバランス（対称性）がよくなる上、個々のコンデンサの小型化によって実装も容易になる。さらにこの場合には、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２と双方向スイッチ部３１の間の距離を極めて小さくすることが可能になり、上記区間の配線インダクタンスを小さくでき、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる効果が高まる。
【００１６】
また、第二実施例の場合も第一実施例と同様に、ＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２の間の配線インダクタンス６が増加することになり、ＬＣフィルタ用リアクトル２１とＬＣフィルタ用コンデンサ２２で決定するフィルタ定数が変動するが、配線インダクタンス６はＬＣフィルタ用リアクトル２１に対して十分に小さいため、変動幅も問題にならない程度の大きさで済む。
【００１７】
図８は、本発明の第三実施例のマトリクスコンバータシステムである。第三実施例は、ＬＣフィルタ用コンデンサ２２を分割し、大きい方のコンデンサ２２１をリアクトルの直近（装置盤の底部）に配置し、小さい方のコンデンサ２２２をマトリクスコンバータ主回路部３の直近に配置した例である。この構成によると、配線インダクタンスに蓄積されたエネルギーを、スイッチＯＦＦ時に小さい方のコンデンサ２２２に吸収させることが可能になり、スイッチ素子に印加される過電圧を抑制できる効果がある。また、マトリクスコンバータ主回路部３の直近に接続するコンデンサ２２２は容積も小さくなるため、実装も容易になる。
【００１８】
図９は、本発明の第四実施例のマトリクスコンバータシステムである。第四実施例も第三実施例と同様にＬＣフィルタ用コンデンサ２２を分割し、大きい方のコンデンサ２２１をリアクトルの直近（装置盤の底部）に配置する。さらに、小さい方のコンデンサ２２２を第二実施例と同様に出力相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）毎に分割している。この構成によると、第二実施例と同様に、容量の大きいマトリクスコンバータシステムでは、モジュール毎にコンデンサ２２２が取り付けられる格好になり、各相に対するバランス（対称性）がよくなる上、個々のコンデンサの小型化によって実装も容易になる。
【００１９】
第三実施例、および、第四実施例では、マトリクスコンバータ主回路部３の電源側に配線インダクタンス等の電流源的な要素が配置されることを避け、コンデンサ２２２による電圧源的な要素が配置されるような構成にしている。つまり、コンデンサ２２２の大きさは、配線インダクタンス６によって発生する過電圧がスイッチ素子の耐圧よりも十分に小さい値になる範囲で決定すればよい。この意味においてコンデンサ２２１とコンデンサ２２２の比率が、８：２或いは９：１のように極端にコンデンサ２２２の大きさが小さくなっても良いことは言うまでもない。
【００２０】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で様々変形して実施できることは言うまでもない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によると、マトリクスコンバータのスイッチ素子に印加される過電圧を抑制でき、素子保護用のスナバ回路を小型化、或いは、削除できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す構成図である。
【図２】従来システムの実装構成図である。
【図３】従来システムの回路図である。
【図４】第一実施例の回路図である。
【図５】本発明の第二の実施例を示す構成図である。
【図６】双方向スイッチを示す図である。
【図７】第一実施例の実装構成図である。
【図８】本発明の第三の実施例を示す構成図である。
【図９】本発明の第四の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…電源、２…ＬＣフィルタ、３…マトリクスコンバータ主回路部、４…負荷、５…装置盤、６…配線インダクタンス、７…スナバ回路、２１…ＬＣフィルタのリアクトル、２２…ＬＣフィルタのコンデンサ、３１…双方向スイッチ部、８１…ＩＧＢＴ、８２…ダイオード、８３…逆阻止デバイス、２２１…ＬＣフィルタのコンデンサのうち大きい方、２２２…ＬＣフィルタのコンデンサのうち小さい方。

Claims

少なくとも、複数の双方向スイッチを備えた主回路部と、電源と前記主回路部との間に設けられリアクトルとコンデンサからなるＬＣフィルタと、前記主回路部によって駆動される負荷によって構成され、前記主回路部では、前記電源から得られる一定周波数の電力を可変周波数の電力に変換する機能を有したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記ＬＣフィルタの前記コンデンサは、前記複数の双方向スイッチの数に等しい複数の第１のコンデンサを有し、前記複数の第１のコンデンサは、出力相毎にグループ分けされ、同じグループに属する前記第１のコンデンサ同士は、一端が共通に、他端がそのグループに対応する出力相に属する前記双方向スイッチのそれぞれに対して一対一で対応するように、互いに並列に接続されており、
前記ＬＣフィルタの前記第１のコンデンサと前記主回路部の間の距離が前記ＬＣフィルタの前記リアクトルと前記ＬＣフィルタの前記第１のコンデンサの距離よりも小さくなるようにＬＣフィルタの前記第１のコンデンサが配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項１に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記ＬＣフィルタは、前記マトリクスコンバータを構成するスイッチ素子のスイッチング周波数成分を除去する周波数帯に特性が設定されたフィルタであることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項１あるいは請求項２に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記双方向スイッチは、前記出力相毎にモジュール化されており、モジュール毎に前記第１のコンデンサが取り付けられていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項１から請求項３の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記ＬＣフィルタの前記第１のコンデンサと前記主回路部内のそれぞれの前記双方向スイッチの距離がほぼ均等になるように実装されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項１から請求項４の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記主回路部と前記ＬＣフィルタは同一の装置盤の内部に配置され、
前記ＬＣフィルタの前記リアクトルは前記装置盤の底部に配置され、かつ、前記ＬＣフィルタの前記第１のコンデンサは前記主回路部の直近に配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項１から請求項４の何れかに記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記ＬＣフィルタは、前記第１のコンデンサよりも前記ＬＣフィルタの前記リアクトルに近い位置に配置された第２のコンデンサを有し、
前記第１のコンデンサは、前記第２のコンデンサよりも容量の小さいコンデンサであることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。
請求項６に記載したマトリクスコンバータシステムにおいて、
前記主回路部と前記ＬＣフィルタは同一の装置盤の内部に配置され、
前記ＬＣフィルタの前記リアクトルおよび前記ＬＣフィルタの前記第２のコンデンサは前記装置盤の底部に配置され、かつ、前記ＬＣフィルタの前記第１のコンデンサは前記主回路部の直近に配置されていることを特徴とするマトリクスコンバータシステム。